Απλοποίηση μοντέλων ΣΗΕ για την ανάλυση ταλαντώσεων ισχύος σε μεγάλες διασυνδέσεις και σχεδίαση σταθεροποιητών

Abstract

This PhD thesis focuses on the study of interarea oscillations which are subsumed in electromechanical oscillations and arise due to weak connections between power systems. Operation of power system close to their technical limits, combined with the complexity of these oscillations (numerous generators contribute) makes the problem of adequate damping one of the most significant stability problems of contemporary power systems. Scope of the PhD thesis is the development of a new approach for the study of these oscillations. This approach is based on quasi steady state approximation and results in a reduced order power system model in which all local and intra-area oscillations are neglected, along with some small time constants of power system devices. Despite this reduction process, the structure of the system, individual power plants and loads are maintained as well as their control devices, allowing the study of more dynamic phenomena than with reduction methods which use generator equivalents. The approach developed in the PhD thesis bridges the gap between short-term smallsignal stability and long term (e.g. frequency) stability analysis. In addition it provides a framework that allows focusing on interarea oscillations while maintaining individual unit controllers. Last but not least is that it allows studying unit governor effects and also, design PSSs for interarea modes For the study and the estimation of proposed method accuracy, new software is developed called ROM-E/Sim (Reduced Order Model Eigenvalues & Simulation). In this software, apart from simplifications described above, techniques for resolving DAE system of numerous equations have been incorporated. In particular, sparse matrix techniques, technique for simultaneous solution of DAE system, and selective eigenvalue-eigenvector calculation have been incorporated. Αccuracy of the proposed method is estimated by comparing with two commercial softwares (PSS/E, PacDyn) with satisfying results. These tests have been applied in a test system (11buses-4generators) as well as in the system of South Eastern Europe in two case studies. In these tests small signal stability study, simulation after major disturbances and PSS design was performed. Furthermore, in this PhD thesis, sensitivity analysis of the interarea modes is performed showing the critical parameters which affect damping of these modes. In addition, the incident of 1st May of 2005 when a low frequency undamped oscillation occurred in the European System is studied. Moreover study of governor effects on interarea modes is performed. In particular, in this thesis, the contribution of deadband controllers of thermal plant speed governors is investigated. Basic conclusions of this PhD thesis is the suitability of the proposed reduced order modeling approach for the analysis of interarea oscillations and PSS design. In addition it is proved that speed governors have a significant effect on interarea oscillations. In particular, deadband controllers of thermal plants may destabilize interarea modes within their amplitude. Incident of 1st May of 2005 may be attributed to this effect. Last but not least is the conclusion that European mode of South Eastern Europe power system may be stabilized through PSS design for Hellenic generetors.

Στην παρούσα διατριβή, το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στην μελέτη των διασυνδετικών ταλαντώσεων οι οποίες ανήκουν στις ηλεκτρομηχανικές ταλαντώσεις και εμφανίζονται συνήθως λόγω των ασθενών διασυνδέσεων μεταξύ ηλεκτρικών συστημάτων. Η διαρκής λειτουργία των ΣΗΕ κοντά στα όριά τους σε συνδυασμό με το γεγονός ότι οι ταλαντώσεις αυτές διαμορφώνονται από την δυναμική πολλών γεννητριών αναδεικνύει το πρόβλημα της ικανοποιητικής απόσβεσής τους σε ένα από τα σημαντικά προβλήματα ευστάθειας των σύγχρονων ΣΗΕ. Αντικείμενο της διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας νέας προσέγγισης για την μελέτη των ταλαντώσεων αυτών. Η προσέγγιση αυτή βασίζεται στην θεωρία της οιονεί στατικής μεταβολής και καταλήγει στην ανάπτυξη ενός απλοποιημένου μοντέλου ΣΗΕ στο οποίο απαλείφονται οι τοπικές και οι ενδοσυστημικές ταλαντώσεις, καθώς επίσης και μικρές χρονικές σταθερές από τις διατάξεις των ΣΗΕ. Παρά την απλοποίηση και αντίθετα με άλλες μεθόδους, η δομή του συστήματος, οι σταθμοί παραγωγής και τα φορτία διατηρούνται ως ανεξάρτητα τμήματα, όπως και οι διατάξεις ελέγχου τους, επιτρέποντας την μελέτη περισσότερων φαινομένων σε σχέση με τεχνικές απλοποίησης που θεωρούν ισοδύναμα υποσυστήματα. Η προσέγγιση που αναπτύσσεται στην διατριβή γεφυρώνει το κενό μεταξύ ευστάθειας μικρών διαταραχών βραχυπρόθεσμης χρονικής κλίμακας και ανάλυσης ευστάθειας μακροπρόθεσμης χρονικής κλίμακας (π.χ. ευστάθεια συχνότητας), παρέχει ένα πλαίσιο που επιτρέπει την εξειδικευμένη μελέτη των διασυνδετικών ταλαντώσεων χωρίς να αλλοιώνει την δομή του συστήματος, καθώς και επιτρέπει την μελέτη φαινομένων που σχετίζονται με τις διατάξεις ελέγχου. Για την μελέτη και την εκτίμηση της ακρίβειας της προτεινόμενης μεθόδου αναπτύχθηκε το λογισμικό πακέτο ROM-Ε/Sim (Reduced Order Model Eigenvalues & Simulation), στο οποίο πέραν των απλοποιήσεων που αναφέρθηκαν, ενσωματώθηκαν τεχνικές για την επίλυση συστημάτων διαφορικών-αλγεβρικών εξισώσεων μεγάλων διαστάσεων. Πιο συγκεκριμένα ενσωματώθηκε η τεχνική αραιών πινάκων, η διαδικασία ταυτόχρονης επίλυσης διαφορικών-αλγεβρικών εξισώσεων, καθώς και η τεχνική επιλεκτικού υπολογισμού ιδιοτιμών και ιδιοδιανυσμάτων. Το λογισμικό πακέτο πραγματοποιεί τόσο προσομοίωση διαταραχών, χρησιμοποιώντας την τραπεζοειδή μέθοδο ολοκλήρωσης, όσο και ανάλυση ευστάθειας μικρών διαταραχών. Η εκτίμηση της ακρίβειας της προτεινόμενης προσέγγισης έγινε χρησιμοποιώντας δύο εμπορικά πακέτα λογισμικού (PSS/E, PacDyn) με ικανοποιητικά αποτελέσματα. Ο έλεγχος αυτός υλοποιήθηκε τόσο σε ένα μικρό σύστημα τεσσάρων γεννητριών – έντεκα ζυγών, όσο και στο σύστημα της νοτιοανατολικής Ευρώπης σε δύο σενάρια λειτουργίας. Στα πλαίσια αυτά ελέγχθηκε η ανάλυση μικρών διαταραχών, η απόκριση σε διαταραχές, καθώς και η δυνατότητα σχεδίασης σταθεροποιητών ισχύος. Επίσης πραγματοποιήθηκε ανάλυση ευαισθησίας των διασυνδετικών ρυθμών αναδεικνύοντας τις κρίσιμες παραμέτρους που συμβάλουν στην μείωση της απόσβεσης των ρυθμών αυτών. Μελετήθηκε το στιγμιότυπο της 1-5-2005 όπου μια μη αποσβενόμενη ταλάντωση χαμηλής συχνότητας εμφανίστηκε στο Ευρωπαϊκό σύστημα. Τέλος μελετήθηκε η συμβολή των ρυθμιστών στροφών στην ευστάθεια των διασυνδετικών ρυθμών και πιο συγκεκριμένα η συμβολή των διατάξεων ελέγχου νεκρής ζώνης των ρυθμιστών στροφών των θερμικών μονάδων. Στα βασικά συμπεράσματα της διδακτορικής διατριβής περιλαμβάνονται η δυνατότητα της προτεινόμενης απλοποιημένης προσέγγισης να χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση διασυνδετικών ταλαντώσεων και την σχεδίαση των σταθεροποιητών. Επιπλέον προκύπτει ότι στις ταλαντώσεις αυτές σημαντική επίδραση έχουν οι ρυθμιστές στροφών. Ειδικότερα οι ελεγκτές της νεκρής ζώνης των θερμικών μονάδων είναι δυνατόν να οδηγήσουν σε αποσταθεροποίηση των διασυνδετικών ρυθμών εντός του εύρους τους. Το στιγμιότυπο της 1/5/2005 μπορεί να αποδοθεί στην επίδραση αυτή. Τέλος είναι δυνατή η σταθεροποίηση του ευρωπαϊκού ρυθμού του βαλκανικού συστήματος με σχεδίαση σταθεροποιητών ισχύος για τις γεννήτριες του ελληνικού συστήματος.